考慮樁土水耦合的大跨斜拉橋地震響應與可靠度研究.pdf

1、隨著社會科學技術(shù)的進步和經(jīng)濟能力的顯著增強，大跨度跨江、跨海斜拉橋越來越多，與此同時，這類橋梁工程的抗震問題已成為工程界的熱點。在這些橋梁工程的抗震分析研究中，結(jié)構(gòu)的耦合是準確分析這些結(jié)構(gòu)動力響應的前提條件，當然計算結(jié)構(gòu)動力響應準確性還取決于地震動的特性及輸入形式。全文就結(jié)構(gòu)的耦合，結(jié)合隨機振動理論在斜拉橋可靠度中的應用進行了一些研究，主要工作如下:
　　(1)系統(tǒng)總結(jié)了目前國內(nèi)外橋梁樁-土-水-結(jié)構(gòu)耦合、斜拉橋動力可靠度分析的方

2、法及前沿技術(shù)，提出了大跨度斜拉橋考慮樁-土-水-結(jié)構(gòu)耦合及地震地面運動的各種空間變化效應，闡述了以計算失效概率為最終目的的可靠度分析的現(xiàn)實意義。
　　(2)推導了樁-土-結(jié)構(gòu)中對土邊界處理的粘彈性人工邊界、闡述了規(guī)范中的“m”法、樁土接觸面法，通過算例驗證了推導的粘彈性人工邊界的可靠性。以大跨度蘇通大橋為算例，運用粘彈性人工邊界，對比分析考慮樁-結(jié)構(gòu)、考慮樁-土-結(jié)構(gòu)耦合、承臺固結(jié)的三種工況，得出了樁-土-結(jié)構(gòu)耦合使橋自振頻率變小

3、，周期變長，樁底反力明顯減少，主梁的軸向力與彎矩、拉索的軸力、塔的軸向力與彎矩也明顯減少。說明了該斜拉橋?qū)儆谔厝嵝越Y(jié)構(gòu)，在靜力內(nèi)力計算時采用塔底固結(jié)模式是安全的，但值偏大。
　　(3)推導了采用附加質(zhì)量計算方法處理水-結(jié)構(gòu)耦合的方法，并與morison方法、規(guī)范計算方法進行了對比研究，找出了三者的差異，附加質(zhì)量計算方法與規(guī)范計算方法原理一致，但morison方程可以考慮水-結(jié)構(gòu)的運動耦合和阻尼。運用morison方程計算了不同的圓

4、墩直徑和水深的各種工況，得出了墩的直徑越小其影響效應越顯著，在波浪和地震作用下考慮流固耦合時計算的最大位移響應結(jié)果大于未考慮流固耦合的情況，流體附加質(zhì)量效應和流固耦合效應對樁柱響應均有影響，但其影響趨勢和影響程度并不相同。以大跨度蘇通大橋作為算例，運用附加質(zhì)量方法，對比分析了樁-土-結(jié)構(gòu)、樁-土-水-結(jié)構(gòu)二種工況，得出了考慮動水結(jié)構(gòu)的動力特性發(fā)生變化較大，且隨著水深度的增加，頻率逐漸越來越小，降低趨勢顯著，且對主梁、塔的內(nèi)力也影響顯著。

5、因此在大跨度斜拉橋分析時，深水作用須予以考慮。
　　(4)系統(tǒng)闡述了虛擬激勵法計算結(jié)構(gòu)響應的過程、地震非平穩(wěn)隨機過程的功率譜密度函數(shù)、行波效應、部分相干效應和局部場地效應的處理方法，運用Ruiz和Penzie模型對蘇通橋場地進行了計算，得到了Ruiz和Penzie模型，運用ANSYS平臺編制了虛擬激勵法程序，對大跨度蘇通大橋的進行了數(shù)值模擬，并與時程分析法、反應譜分析法進行了比較，得到了該方法的適宜性，為分析結(jié)構(gòu)在地震激勵下的響應

6、做了有益的探討。
　　(5)研究了大跨度蘇通大橋樁-土-結(jié)構(gòu)、樁-土-水-結(jié)構(gòu)模型的動力響應差異，考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用后，結(jié)構(gòu)整體剛度比承臺固結(jié)時明顯變小，其自振周期變長，結(jié)構(gòu)位移明顯比不考慮相互作用時增加，最大地方達到了25％左右。樁-土相互作用使上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，其比承臺固結(jié)時減少15％左右。樁-土-水-結(jié)構(gòu)比樁-土-結(jié)構(gòu)的位移響應增大在10％左右，內(nèi)力增大的幅度在50％左右，位移增加20％左右。在樁-土-水-結(jié)構(gòu)模型基礎

7、上又進行了行波效應、非線性效應分析，得出了不同行波速度對該結(jié)構(gòu)影響是不一致的，非線性效應對順橋方向的內(nèi)力與位移影響較大，增大影響在10％左右。
　　(6)將傳統(tǒng)響應面方法、規(guī)范反應譜方法和Monte Carlo數(shù)值模擬法結(jié)合起來，構(gòu)造了一種二次響應面法計算結(jié)構(gòu)隨機可靠度的組合響應面方法。通過擬合的多項式函數(shù)來近似替代表示結(jié)構(gòu)隨機輸入與輸出變量之間作用關系的功能函數(shù)，按照結(jié)構(gòu)的破壞準則及其極限狀態(tài)方程，進行可靠度分析。以大跨度蘇通橋